铝合金压缩状态下近似屈服强度的测定方法

闫 明，董阳华，王一焱

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州 213025)

屈服强度是金属材料抵抗外力防止发生微量塑性变形的应力，也是最直观表现金属材料承载能力的重要指标，因此准确的计算和测量金属材料的屈服强度是力学性能检验的基础工作[1]。一般来讲，金属材料在拉伸状态和压缩状态下所表现出的性能存在一定差异，在产品设计阶段需全面分析产品实际工况下的受力状态，从而选择合适的力学参数作为选材依据。选材时，金属材料最重要的力学性能参数是抗拉强度和屈服强度，若实际工况下主承压应力的产品仍以此法选材则存在一定的盲目性和安全隐患，因此，明确不同状态下材料的屈服强度，加深对金属材料屈服强度进行研究是十分必要的[2]。本文将以3A21 铝合金作为研究对象，探究3A21 铝合金材料在压缩状态下近似屈服强度的测定方法。

1 常规屈服强度的测定方法

1.1 明显屈服材料

明显屈服是指材料在承受的应力大于一定数值后，虽应力不再增加，但材料仍然发生变形的现象。通常来讲在拉伸曲线上会出现明显的屈服平台，屈服强度一般通过拉伸试验的“应力-应变”曲线来计算，在屈服阶段，应力首次下降前的最大应力称为上屈服力，应力保持不变时的力称为屈服力，不计瞬时效应的屈服阶段最小应力称为下屈服力，与试样截面积的比值即为上屈服强度、屈服强度和下屈服强度[3]。

1.2 无明显屈服材料

一些金属材料由于其内部塑性变形存在非同时性，导致材料在受力时观测不到明显的屈服现象，这类材料称为无明显屈服材料。这类材料的屈服强度的传统测定方法为通过拉伸试验获得“力-延伸”曲线，通过作辅助线与曲线的相交的截点确定所求规定非比例延伸强度的应力（产生0.2%残余变形时的应力），与试样截面积的比值即为非比例延伸强度Rp0.2。GB/T228-2010 金属材料室温拉伸试验方法中详细要求了滞后环法、逼近法、平行线法等作图方法，试验人员可自行判断曲线形状选择最合适的方法来确定屈服强度[4]。高端万能材料试验机也可通过引伸计传导形变数据至计算机自动计算Rp0.2，相比于画图法既提高了工作效率也提高了准确性。

1.3 微观计算模型

除以上通过拉伸试验来测定屈服强度的一般方法外，对于铝合金时效强化前后组织变化与力学性能的研究，人们为探索二者之间的关系，建立了不同的强度计算模型，力学性能的差异性在微观上主要表现在微观组织种类、大小和数量的区别，因此在计算模型上，自变量主要为材料内部组织尺寸、剪切模量、合金浓度等参数[5-10]。该方法主要目的在于研究材料内部微观变化与力学性能之间关系，由于其计算和试验过程复杂，一般不用于成熟产品的力学性能检测。

2 压缩态下近似屈服强度的测定方法

2.1 试样制备

压缩试样材料选用3A21 铝合金，属于铝-锰二元合金，无法通过热处理强化，只能通过冷加工方法提高力学性能，除此之外还具有较好的耐蚀性、塑性、焊接性，是一种综合性能较好的中等强度铝合金[11-12]。3A21 铝合金材料无明显屈服现象，拉伸试验下通过测量其规定非比例延伸强度或规定残余伸长应力计算其屈服强度Rp0.2。材料成分通过布鲁克Q4TASMAN 火花直读光谱仪检测，化学成分如表1 所示。

表1 3A21 铝合金的化学成分 ωB/%

由于试验方法与常规压缩试验不同，因此试样也无法完全按照GB/T 7314-2005 金属材料室温压缩试验方法中要求制备，但受压区尺寸与试样形位公差仍按标准进行设计，试样尺寸如图1 所示。

图1 压缩试样

为保证每次对试样施加应力的面积相同，将试验压头制成如图2 所示尺寸，压头材料Cr12，硬度60HRC。

2.2 试验方法

图2 压头

由于3A21 铝合金材料在受压应力状态下无明显屈服现象，难以通过压缩曲线直接获得屈服强度，本试验方法为通过对比压缩试验前后试样表面平面度的变化来确定使材料发生永久塑性变形时所受最小应力，压缩试验前使用Croma8126桥式测量机记录所有试样待压表面平面度，采点位置如图3、4 所示，设备误差0.001mm。

图3 压缩前采点

图4 压缩后采点

使用CTM9100 万能材料试验机完成压缩试验，室温20℃，设定横梁位移速度1mm/min（压缩试验下实际位移速度小于1mm/min），达到预设应力时，横梁停止，保压30s 后停止试验，每块试样只进行一次压缩试验，试验后再次测量试样表面平面度，记录平面度的变化量，根据平面度变化情况调整应力大小，直至测出平面度发生明显变化时所承受的应力值。

2.3 试验结果与分析

试验机在试验过程中存在过冲现象，即设备达到预设应力后无法立即停止并保持该应力状态，实际情况为试验机停止时最大应力略大于预设应力，且实际应力会随保压时间逐渐降低，压缩试验结果如表2 所示。

图5 压缩试验

表2 压缩试验结果

平面度变化与应力大小之间的关系如表3 所示，试样表面的平面度变化量随应力的增加而变大，当试样所受应力小于73.84MPa 时，试样表面平面度并未发生明显变化，因此基本可以确定该3A21 铝合金材料在压缩状态下的近似屈服强度为73.84MPa。

表3 平面度随应力变化情况

3 结束语

通过此方法可以较快地测定3A21 铝合金受压状态下的近似屈服强度，对于主要承受压应力的产品，通过压缩试验模拟实际工况，获取材料表面发生微小变形时所需最小应力值，相比于材料的拉伸强度和拉伸状态下的屈服强度，该方法测量出的结果更贴近于实际，较好的表现应力与平面度之间的变化关系，同理，针对于其他无明显屈服强度或实际工况下主承受压应力的材料，应用此试验方法可快速测量材料的近似屈服强度数值，为产品设计人员提供更加准确的选材依据。